我国铌钽稀土矿物学及工业利用_张培善

我国铌钽稀土矿物学及工业利用①张培善,杨主明＊,陶克捷,宋仁奎(中国科学院地质与地球物理研究所,北京100029)摘要:该文对我国铌钽稀土矿床及其产出的矿物进行了论述。

根据从铌钽稀土元素的地球化学性质,认为地球物质分异是元素地球化学的原始动力。

矿物学的核心内容之一是矿物的晶体结构和晶体化学,而铌钽稀土矿物晶体化学问题更占重要位置。

在铌钽稀土矿物晶体结构中,铌钽是在假想酸根中呈中等大小的阳离子,而稀土则为阳离子配位多面体中的大阳离子形式存在,以此决定了它们的晶体化学行为。

列出了我国产出的铌钽稀土矿物种类和各类各族中的种数,并简要论述了它们的主要矿物学特征。

综述了我国铌钽稀土矿床的成矿地质时代和矿床成因类型,并列出各类型矿床中的众多不同产地,以表明矿床类型的多样性和矿化地区的广泛性。

还对我国利用这类矿物的特色和可持续发展做出了建议。

关键词:矿物学;铌钽;工业利用;稀土中图分类号:P574.2;P578.6 文献标识码:A 文章编号:0258-7076(2005)02-0206-05 中国是稀土大国,资源丰富,稀土矿物埋藏量居世界首位,而铌钽矿物埋藏量也居世界前列[1,2]。

据美国地质调查局(CIRC.930-M)号通报,即国际战略矿物储备报告(International S trategic M inerals Inventory Summary Repo rt)中估计,除中国和前苏联外,铌的世界储量约为700万吨,钽约为50万吨,铌主要产于巴西,次之加拿大,巴西的铌精矿,目前供应全世界,而钽则作为开采锡矿的副产品供应市场[3]。

稀土的工业矿物主要是氟碳酸稀土的氟碳铈矿和磷酸稀土的独居石和磷钇矿,铌钽的工业矿物主要是复杂氧化物的铌钽铁矿和焦铌酸盐的烧绿石。

此外,工业上可以利用的稀土矿物还有:硅铍钇矿、褐钇铌矿、褐帘石、异性石、黑稀金矿和方铈石等[4]。

稀土矿物二三百种,铌钽矿物近百种,都有利用可能,或潜在利用可能,故研究铌钽稀土的存在形式及其形成过程,研究它们的地质学、矿物学和地球化学问题,更具重要理论意义。

1　铌钽稀土元素地球化学简述稀土在地壳中的重量约占地壳总重量0.01～0.02%,其中镧、铈、钕、钇在火成岩和地壳上部的丰度,比钨、钼、钴、铅都多,并不特别稀少,而铌和钽在地壳中则较比稀少,铌的地壳克拉克值为0.002%,钽为铌的1/10,即0.0002%,系稀有金属。

地球自形成和发展演化开始,就伴随着物质分异,大气圈、水圈、硅铝层、硅镁层、地幔和地核,地球圈层的分布,都是物质分异的结果。

物质分异存在于地球演化和地质作用的全过程,在岩浆作用、热液作用、变质作用、沉积作用等地质作用之下,聚集了不同的矿物资源,铌钽稀土的富集成矿,是顺理成章的自然现象。

在适宜的地质作用过程中,它们都有富集成矿的可能。

岩浆活动是地壳和上地幔物质分异的形式,岩浆形成了各类火成岩,岩浆分异与铌钽稀土的转移富集密切相关,火成岩的类别控制着其所含铌钽稀土的多寡。

稀土的含量以酸性火成岩特别是碱性火成岩中较多,有稀土铌钽矿物的富集,尤其在岩浆演化的后期热液阶段和伟晶岩阶段,稀土铌钽矿物往往富集成矿。

原始地球形成地壳之后,使稀土有所富集。

花岗岩作用又使地壳中的稀土再度富集。

而花岗岩的风化作用又使花岗岩中的稀土三度富集。

例如我国南方花岗岩中的氧化稀土含量,一般为万分之几,而花岗岩风化壳中的氧化稀土含量,一般升为千分之一左右。

由地壳形成、花岗岩化、花岗岩第29卷　第2期V ol.29№.2 稀　有　金　属CHINESE JOU RNAL OF RARE METALS 2005年4月A pr.2005①收稿日期:2004-05-20;修订日期:2004-06-06基金项目:国家自然科学基金资助项目(40272026)作者简介:张培善(1925-),男,山东滕州人,研究员;研究方向:矿物学＊通讯联系人(E-mail:yangzhm@)风化作用,是非常明显的稀土地质三度富集过程。

地壳中各单一稀土的富集程度不同,原子序数较小之稀土富集较多。

而原子序数为偶数者,其量均多于其随后的奇数之量,即偶数法则,是稀土元素地球化学重要法则之一。

也是奥多·加尔金斯规则的最明显例证[5]。

地壳中的各类地质体内,都含有为量不等的稀土,因此人们往往利用稀土的配分形式、各单一稀土间的比值、正负铕值等指标,来探讨各类地质体的来源、形成和演化,成为最有效的指示标志。

如王凯怡等研究白云鄂博碳酸岩浆成矿阶段后发现,早期La/Nd,La/Y,La/Yb,比值大,晚期此比值减小,但晚期稀土总量富集[6]。

2　铌钽稀土矿物晶体化学简介铌钽稀土矿物晶体化学所讨论的内容是有关这些元素矿物的原子结构、离子半径和形态、类质同象置换关系、及其化学性质和物理性质等内容。

镧系收缩现象是稀土晶体化学的重要特点,所谓镧系收缩是指从镧到镥的离子半径随原子序数的增加而递减。

镧系收缩对紧随其后的原子结构有所影响。

稀土元素之间,铌元素与钽元素之间,由于化学性质的相近,在自然界中,总是形影不离,共同出现。

稀土矿物和铌钽矿物,往往同时产出于同一地区的同一地质环境下,且有时赋存于同一矿物中,稀土钽铌酸盐和稀土偏钽铌酸盐类矿物的出现,即是例证。

依据矿物晶体结构和晶体化学分析,稀土是以多面体的大阳离子形式进入矿物晶格,受晶体结构中的阴离子团所制约,故稀土多以氟碳酸盐、碳酸盐、磷酸盐、硅酸盐的矿物形式出现。

铌和钽则不同,是以铌酸根和钽酸根的假想酸根的形式出现于矿物中,在晶体结构中,它们不是阴离子团,它们是氧化物矿物的晶体结构。

假想酸根的证实,是X射线发现后,矿物晶体结构分析和晶体化学研究的结果[7,8]。

铌和钽的化学性质十分相近,Nb5+和Ta5+离子半径相等,均为0.064nm,铌钽矿物间存在着完全的类质同象置换,这是由于镧系收缩的影响,致使锆和铪、铌和钽的离子半径几乎相等,为它们之间的相互取代,提供了前提。

稀土可形成许多硅酸盐类矿物,而铌和钽则不能,铌和钽仅在钛硅酸盐中以类质同象的形式有限度地去置换钛[9,10]。

3　我国铌钽稀土矿物种类铌钽稀土的主要矿物为八面体氧化物的稀土钽铌酸盐类矿物。

此外,铌钽矿物尚有八面体氧化物中的金红石族、铌钽铁矿族矿物和八面体与立方体混合型氧化物的钙钛矿族矿物,以及钛硅酸盐和锆硅酸盐中某些矿物。

稀土矿物主要为氟碳酸盐类、磷酸盐类和硅酸盐类矿物,此外尚有氟化物类、氧化物类、碳酸盐类、砷酸盐类、以及硅酸盐类中的某些矿物。

中国产出的铌钽矿物约计70余种。

中国产出的铌钽矿物种类名称及种数如下[1]: (包括矿物种、变种和亚种)(1)钽铌酸盐类矿物:褐钇铌矿族矿物7种,易解石族矿物12种,黑稀金矿族矿物5种,铌钇矿族矿物2种,烧绿石族矿物9种。

(2)简单和复杂氧化物类中的铌钽矿物:金红石族矿物5种,钙钛矿族矿物两种,铌钽铁矿族矿物23种。

所谓铌钽铁矿族矿物,(Fe,Mn)(Nb, Ta)2O6其晶体结构是由两种不同八面体的氧化物构成,属于金红石的衍生结构。

其一为(Nb5+, Ta5+)O6,另一为(Fe2+,M n2+)O6,Nb5+和Ta5+间,Fe2+和Mn2+间可无限互代。

该族矿物的亚种在中国产出甚多,表现出等价和异价类质同象的多样性。

(3)硅酸盐类中的含铌稀土矿物8种。

中国稀土矿物种类及种数如下[11]:氟化物类有氟铈矿等2种,简单氧化物类有方铈石等2种,复杂氧化物类有铈铌钙钛矿等2种,钽铌酸盐类有褐铈铌矿等25种,碳酸盐类有碳铈钠矿等4种,氟碳酸盐类有氟碳铈矿、黄河矿等20种,磷酸盐类有独居石、磷钇矿等8种,砷酸盐类有砷钇矿1种,复酸盐类(M ineral with double radical acid)有大青山矿等3种,硅酸盐类有硅铍钇矿、兴安矿等8种,钛硅酸盐类和锆硅酸盐类有硅钛铈矿、赛马矿等6种,硼硅酸盐类有硼硅钇钙石1种。

4　我国铌钽稀土成矿地质时代及矿床成因类型 中国的造山运动较早可追溯到25亿年前太古2072期 张培善等　我国铌钽稀土矿物学及工业利用 代、元古代之间的五台运动,之后,为18亿年前中下元古代间的吕梁运动,白云鄂博地区稀土铌钽的最早起因,与吕梁运动关系密切。

之后,有四堡运动、晋宁运动和澄江运动,这都是5～6亿年前前寒武纪的造山运动。

5～6亿年后古生代的加里东运动和海西运动,奠定了白云鄂博稀土铌钽的成矿规模[12～14]。

2.5亿年后的中生代的印支运动和燕山运动,整个中国特别是华南地区的稀土铌钽矿化广阔,而六千五百万年后的新生代的喜马拉雅运动,稀土铌钽矿化则集中于攀西裂谷地区[15]。

铌钽稀土矿床的形成是地球物质分异的结果,与地壳运动、岩浆活动关系密切,贯穿于中国地质史的各造山运动中,都有铌钽稀土的富集而形成矿床,根据铌钽稀土的矿物产状和矿床成因,可作如下分类[16]:4.1　花岗岩和碱性花岗岩型矿床该类型稀土矿床甚多,多分布于扬子准地台和华南褶皱系中。

攀西裂谷一带亦多有分布。

该类型铌钽矿床有:(1)江西宜春414矿和工人村矿;(2)江西赣县牛岭坳矿;(3)江西模峰黄山矿;(4)广东博罗铌钽矿;(5)广西恭城栗木锡矿铌钽矿;(6)湖南茶陵金竹垄矿;(7)四川西昌洛地矿。

4.2　蚀变花岗岩型矿床该类型铌钽稀土矿床有:(1)内蒙哲盟扎鲁特旗兴安稀土铌钽矿;(2)江西石城海罗岑岭和姜坑里铌钽矿;(3)湖南临武香花尖峰岭铌钽矿;(4)广西贺县水岩坝锡矿;(5)广东某地燕山期花岗岩含富钇的氟碳铈矿。

4.3　花岗伟晶岩型矿床伟晶岩分布与大地构造关系密切,伟晶岩矿物种类丰富,但含量有限,较大之铌钽稀土矿床有:(1)福建南平西坑铌钽矿;(2)江西横峰黄山铌钽矿;(3)湖北通城断峰山铌钽矿;(4)湖南平江传梓源铌钽矿;(5)云南某地二云母钾长石稀土伟晶岩;(6)新疆阿尔泰稀土伟晶岩和富蕴可可托海铌钽矿,上世纪80年代初期,新疆伟晶岩中发现60公斤重的铌钽铁矿巨晶;(7)四川金川北隆乡铌钽矿、康定呷基卡铌钽矿和乾宁容须卡铌钽矿;(8)广东德庆永丰铌钽矿;(9)广西资源茅安塘铌钽铍矿和玉林博白邦杰铌钽矿。

4.4　矽卡岩型矿床该类型矿床特点是有火成岩的侵入,并有矽卡岩矿物石榴石、透辉石、硅镁石的生成。

该类型矿床主要有:(1)内蒙白云鄂博矿区东部花岗岩接触带烧绿石、金云母、透辉石矽卡岩;(2)内蒙某地辉长岩接触带中富钇和镝的钕易解石;(3)辽宁某地烧绿石、金云母、稀土矿物矽卡岩;(4)湖南郴州柿竹园矽卡岩多金属矿。

4.5　碱性火成岩型矿床正长岩、霞石正长岩、霓霞岩、磷霞岩中富含稀土矿物,此类型矿床主要有:(1)辽宁凤城赛马碱性杂岩体;(2)山西临县紫金山碱性岩体;(3)四川会理钠长岩及川北李家河碱性岩体;(4)山东微山稀土矿(碱性岩体中的热液脉)。